DE19940783A1

DE19940783A1 - Control method especially for permanent magnet excited synchronous machines of elevator drives, involves continually matching phase-angles of magnetic field to optimal running conditions of machine

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Publication number: DE19940783A1
Application number: DE19940783A
Authority: DE
Original assignee: BLOCHER MOTOR GmbH
Current assignee: BLOCHER MOTOR GmbH
Priority date: 1999-08-27
Filing date: 1999-08-27
Publication date: 2001-03-01

Abstract

To provide synchronous electric machines with the characteristic of DC-machines, during standstill the magnetic fields of two mutually independent windings which are each controlled by an inverter with both windings thus controlled by a microcomputer with vector orientation, the magnetic fields overlapping or almost overlapping to give a narrow field-pole. The phase-angles of the magnetic field are continually matched to the optimal running conditions, depending on the operating condition of the electric machine.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zur Regelung drehender elektrischer Maschinen insbesondere von permanentmagneterregten Synchronmaschinen für Aufzugsantriebe.The invention relates to a method and a device for regulating rotating electrical Machines especially of permanent magnet excited synchronous machines for Elevator drives.

Durch die Anordnung von Permanentmagneten bzw. durch den Verlauf der induzierten Spannung kommt es bei elektrischen Synchronmaschinen in der Regel zur Ausbildung von Feldoberwellen. Diese führen, wenn sie nicht kompensiert werden, bei sinusförmiger Stromspeisung zu systematischen Pendelmomenten, welche unerwünschte Drehzahlschwankungen hervorrufen. Pendel- und auch Rüttelmomente sind daher möglichst zu vermeiden. Eine einfache Methode zur Verhinderung der Feldoberwellen besteht darin, diese abzudämpfen. Damit ist jedoch auch eine Verringerung der elektromagnetischen Ausnutzung der elektrischen Maschine verbunden. Durch eine geeignete Stromsteuerung, wie in der Dissertation von M. Schröder "Hochtouriger bürstenloser Positionierantrieb mit extrem geringer Momentenwelligkeit", Stuttgart 1986, ist ein Vorschlag bekannt, die Feldoberwellen zur Momentenbildung auszunutzen, wobei gleichzeitig eine Kompensation der Pendelmomente, erfolgt. Allerdings haftet dieser Lösung der Nachteil an, dass diese elektrische Maschine magnetisch völlig symmetrisch sein muß. Dies bedingt eine spezielle Konstruktion mit zusätzlichen Aufwendungen.Through the arrangement of permanent magnets or through the course of the induced Voltage usually occurs in the case of electrical synchronous machines Field harmonics. If they are not compensated, these lead to sinusoidal ones Power supply at systematic pendulum moments, which are undesirable Cause speed fluctuations. Pendulum and vibrating moments are therefore too possible avoid. A simple method to prevent field harmonics is to do this dampen. However, this also means a reduction in the electromagnetic utilization of the electrical machine connected. Through a suitable current control, as in the dissertation by M. Schröder "High-speed brushless positioning drive with extremely low Moment ripple ", Stuttgart 1986, a proposal is known for the field harmonics To exploit the formation of moments, while at the same time compensating the pendulum moments, he follows. However, this solution has the disadvantage that this electrical machine magnetically must be completely symmetrical. This requires a special construction additional expenses.

In der DE 41 22 393 ist ein Verfahren beschrieben, bei dem die Kompensation der Pendelmomente bei einem vorzugsweise elektronisch kommutierten Servomotor durch eine Regelung des Motorstromes auf der Grundlage eines rotorfesten Bezugssystems erfolgt. Die Regelung erfolgt dabei durch eine Gewichtung der Stromanteile im rotorfesten Bezugssystem mit geeigneter Formfunktion. Die gewichteten Steuersignale werden anschließend auf ein dreiphasiges, ständerfestes Bezugssystem zurücktransformiert.DE 41 22 393 describes a method in which the compensation of the Pendulum moments in a preferably electronically commutated servo motor by a Regulation of the motor current takes place on the basis of a rotor-fixed reference system. The Regulation takes place by weighting the current components in the rotor-fixed reference system suitable form function. The weighted control signals are then turned on three-phase, frame-fixed reference system transformed back.

Auch ist es bekannt, Synchronmaschinen mittels Stromrichter und weiterer elektrischer Bauelemente zu regeln. So wird z. B. in der DE 42 33 804 ein Verfahren zur Regelung einer umrichtergespeisten, permanentmagneterregten Synchronmaschine vorgeschlagen, bei dem unabhängig von der Stromkurvenform der eingespeisten Strangströme ein zwischen Ankerstrom und Polradspannung befindlicher Vorsteuerwinkel allein nach Maßgabe eines Pegels, der wenigstens einem von wenigstens einem im Maschinenstrang befindlichen Phasenstromregler vorgegebenen Ausgangssignal proportional ist, so verstellt wird, dass die Synchronmaschine abhängig von den Belastungsverhältnissen entweder in einem Grundarbeitsbereich, insbesondere im feldorientierten Betrieb, oder im Feldschwächearbeitsbereich betreibbar ist.It is also known to synchronous machines by means of converters and other electrical Control components. So z. B. in DE 42 33 804 a method for controlling a converter-fed, permanent magnet excited synchronous machine proposed, in which irrespective of the current curve shape of the injected phase currents, one between armature current and the magnet wheel voltage of the pilot control angle solely according to a level which at least one of at least one phase current regulator located in the machine train predetermined output signal is proportional, is adjusted so that the synchronous machine depending on the load conditions either in a basic work area, in particular can be operated in field-oriented operation or in the field weak work area.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Einrichtung für die Regelung einer permanentmagneterregten Synchronmaschine zu schaffen, welche ein hohes Anzugsvermögen gleichzeitig mit einem hohen Haltevermögen im Stillstand ermöglicht, bei gleichzeitiger Realisierung eines sehr ruhigen und geräuscharmen Laufs der Maschine.The invention has for its object a method and a device for the control to create a permanent magnet excited synchronous machine, which has a high Tightening ability at the same time as having a high holding capacity at standstill simultaneous realization of a very quiet and quiet running of the machine.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale der beiden Patentansprüche gelöst. Überraschenderweise wurde gefunden, das sich die elektrische Maschine mit maximaler Unsymmetrie des Magnetkreises und einer Wicklung in der Art einer extrem asymmetrischen Bruchlochwicklung, die eigentlich nur mit großen Aufwand regelbar erscheint, doch durch die ständige Veränderung und Optimierung der Phasenlage in solch einem breiten Regelbereich ansteuern und regeln lässt.The object is achieved by the characterizing features of the two Claims resolved. Surprisingly, it was found that the electrical machine with maximum asymmetry of the magnetic circuit and a winding in the manner of an extreme asymmetrical break hole winding, which actually only seems to be controllable with great effort, but by constantly changing and optimizing the phase position in such a wide range Control range and can be regulated.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass mit verhältnismäßig geringem Aufwand eine Synchronmaschine mit der Charakteristik einer Gleichstrommaschine geschaffen wird, das heißt, die Synchronmaschine besitzt ein hohes Haltevermögen im Stillstand neben der typischen Synchroncharakteristik des hohen Anzugsvermögens.The advantages achieved with the invention are, in particular, that with relative a synchronous machine with the characteristics of a direct current machine with little effort is created, that is, the synchronous machine has a high holding capacity at standstill in addition to the typical synchronous characteristic of the high tightening capacity.

Die Erfindung soll nachstehend in einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. Erfindungsgemäß sind dabei in den Nuten der elektrischen Maschine zwei elektrisch und geometrisch getrennte Wicklungen eingelegt, wobei eine Spulenseite einer Spule der Wicklungen auf zwei nebeneinander liegende Nuten aufgeteilt ist. Jede der beiden Wicklungen ist mit je einem Wechsellichter verbunden. Beide Wechselrichter werden von einem Mikrorechner angesteuert, wobei die Wicklungen elektronisch in Abhängigkeit vom Betriebszustand vektororientiert so geregelt sind, dass im Stillstand der elektrischen Maschine eine Art Bifilarwicklung entsteht. Während des Laufs der elektrischen Maschine werden die Wicklungen so gesteuert, dass eine Parallelschaltung der Wicklungen vorliegt. The invention will be explained in more detail below in an exemplary embodiment. According to the invention, two are electrical and in the grooves of the electrical machine geometrically separated windings inserted, one coil side of a coil of the windings is divided into two adjacent grooves. Each of the two windings is with each connected to a changing lights. Both inverters are powered by a microcomputer controlled, the windings electronically depending on the operating state are vector-oriented so that when the electrical machine is at a standstill, a kind Bifilar winding arises. During the run of the electrical machine, the windings controlled so that the windings are connected in parallel.

Üblicherweise liegt bei einer permanentmagneterregten Synchronmaschine eine Überdeckung der Pole von ca. 67% vor. Bei der erfindungsgemäßen Wicklung in der Art einer extrem asymmetrischen Bruchlochwicklung, die eine maximaler Unsymmetrie des Magnetkreises bewirkt, ist die Polüberdeckung auf Grund der Anordnung der Wicklungen bedeutend geringer. Das hat zur Folge, dass das Haltemoment im Stillstand gering ist und sich der Außenläufer nicht genau positionieren lässt. Insbesondere für den Anwendungsfall als Aufzugsmotor ist diese Eigenschaft von sehr großem Nachteil. Durch das erfindungsgemäße Verfahren werden durch die erfindungsgemäße Einrichtung im Stillstand die geometrisch getrennten magnetischen Felder zweier voneinander unabhängiger Wicklungen, durch eine Phasenverschiebung so verschoben, dass sie sich überdecken oder fast überdecken. Dadurch wird ein sehr schmaler Pol erzeugt, der es zum einen ermöglicht, den Läufer der elektrischen Maschine im Stillstand genau zu fixieren und in dieser Stellung zum anderen ebenfalls ein großes Haltemoment zu erzeugen.There is usually an overlap in a permanent magnet-excited synchronous machine the pole of about 67%. With the winding according to the invention in the manner of an extreme asymmetrical broken-hole winding, which shows a maximum asymmetry of the magnetic circuit caused, the pole coverage is significantly less due to the arrangement of the windings. As a result, the holding torque at standstill is low and the external rotor does not can be positioned exactly. This is especially for the application as an elevator motor Property of very great disadvantage. By the method according to the invention the device according to the invention at a standstill the geometrically separated magnetic fields two independent windings, shifted by a phase shift, that they overlap or almost overlap. This creates a very narrow pole, the on the one hand, it enables the rotor of the electrical machine to be precisely fixed when it is at a standstill and also generate a large holding torque in this position.

Die Regelung erfolgt dabei von einem Mikrorechner aus über zwei Wechselrichter, wobei die Vektoren der beiden Magnetfelder ständig gebildet werden und die beiden Vektoren miteinander verglichen werden. Dadurch ist gleichzeitig ein hohes Anlaufmoment gewährleistet.The control takes place from a microcomputer via two inverters, the Vectors of the two magnetic fields are constantly formed and the two vectors together be compared. This also ensures a high starting torque.

Beim Anlauf erfolgt die vektororientierte Regelung so, dass die beiden Magnetfelder wieder auseinander driften. Dieses Auseinanderdriften um eine Winkel Δϕ erfolgt in einer Art und Weise, dass dabei ein möglichst breiter Pol entsteht. Dadurch wird unter Last ein sehr gleichmäßiger und ruhiger Lauf erreicht. Da hierbei keine Rüttelmomente auftreten wird das Geräuschverhalten sehr stark minimiert. Praktisch treten keinerlei störende Geräusche mehr auf. Jeweils in Abhängigkeit vom Betriebszustand der elektrischen Maschine wird die Phasenlage der magnetischen Felder ständig an optimale Laufbedingungen angepasst.When starting up, the vector-oriented control takes place so that the two magnetic fields again Drifting apart. This drifting apart by an angle Δϕ takes place in a manner and So that the widest possible pole is created. This makes a very heavy load smooth and quiet running achieved. Because there will be no shaking moments Noise behavior very much minimized. There are practically no disturbing noises anymore. Depending on the operating state of the electrical machine, the phase position of the magnetic fields constantly adapted to optimal running conditions.

Durch die erfindungsgemäße Regelung wird die elektrische Maschine so gesteuert, das sie zum einen sowohl das Betriebsverhalten einer dreisträngigen Synchronmaschine mit möglichst kleinem Polradwinkel, als auch das Betriebsverhalten einer elektronisch kommutierten Gleichstrommaschine mit möglichst großen optimalen Polradwinkel besitzt.The control according to the invention controls the electrical machine so that it is used for one with the operating behavior of a three-strand synchronous machine as possible small magnet wheel angle, as well as the operating behavior of an electronically commutated DC machine with the largest possible optimal rotor angle.

Claims

1. A method for regulating rotating electrical machines with maximum asymmetry of the magnetic circuit and a winding in the manner of an extremely asymmetrical broken-hole winding, characterized in that
that at standstill the magnetic fields of two independent windings, each controlled by an inverter and both controlled by a microcomputer in a vector-oriented manner,
that the magnetic fields overlap or almost overlap, creating a narrow pole
and that in the course of the machine the two magnetic fields drift apart by an angle Δϕ, so that a wide pole is created
and depending on the operating state of the electrical machine, the phase position of the magnetic fields is constantly adapted to optimal running conditions.

2. Device for controlling rotating electrical machines with maximum asymmetry of the magnetic circuit and a winding in the manner of an extremely asymmetrical broken-hole winding, characterized in that
that two electrically and geometrically separate windings are inserted in the slots of the electrical machine, a coil side of a coil of the windings being divided into two adjacent slots and that both windings are each connected to an inverter and the inverters are assigned to a microcomputer,
the windings being electronically controlled depending on the operating state so that a kind of bifilar winding is present when the electrical machine is at a standstill and the windings are connected in parallel when the electrical machine is running.